纳米纤维大孔支架制备技术在骨组织工程研究中的应用与意义
发布时间：2021-12-11 04:18
背景:用于骨组织工程的仿生多孔支架要求具有类细胞外基质纳米纤维结构和连通大孔结构,从而有效支持细胞植入、黏附、增殖等行为,促进组织再生。目的:结合最新相关研究动态,综述用于骨组织工程的纳米纤维大孔支架制备技术研究进展。方法:由第一作者以"bone tissue engineering,nanofibrous,macroporous,scaffolds"为英文检索词,以"骨组织工程、纳米纤维、大孔、支架"为中文检索词,使用计算机检索Web of science、知网、百度学术数据库中2000至2019年已发表的相关文献,并进行筛选,归纳和总结,最终纳入58篇相关文献进行综述。结果与结论:目前构建纳米纤维结构方法仍局限于静电纺丝、热致相分离和自组装,单一方法制备的骨组织工程支架存在很多问题,其中最大的问题是:很难提供一个三维相互连通的大孔结构来模拟体内的微环境,诱导细胞的迁移、生长、分化、增殖,最终再生新的组织和器官。通过多技术手段的综合运用开发制备大孔纳米纤维支架是必要的,具有重要的科学与现实意义。三维打印对于结构的调控十分精确,可以对支架内部结构及外部形状进行定制,达到双重调控,为骨组...
【文章来源】：中国组织工程研究. 2020,24(28)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
文献检索流程图
除了以上方法之外，还有些研究者运用一些独特的方法来制备纳米纤维大孔支架，如激光切割、水凝胶涂层等。FULLER等[57]利用了静电纺丝和激光切割压缩技术来制备多层的纳米纤维大孔支架，其中通过激光切割引入30%圆形孔隙率，从而进一步降低了机械完整性。NIVEDHITHA等[58]将有大孔结构的凝胶涂在纤维支架上来制备微米纤维大孔支架，具有外覆盖物构建体上的蛋白质吸附显著降低，这可以延迟细胞与外层的黏附，并且构建体显示出良好的细胞附着和肌腱细胞的增殖。3 小结与展望Conclusion and prospects
热致相分离是一种制备类似于天然细胞外基质的聚合物纳米纤维材料的方法。热致相分离首先是将聚合物与高沸点、低分子质量的液态或固态稀释剂混合，在高温时形成均相溶液，再将混合物溶液制成所需要的形状，降低温度使溶液发生相分离，然后用某些溶剂进行萃取除去稀释剂，最后进行冷冻干燥得到孔结构。郑雄飞等[17]在不结合其他致孔剂方法的条件下，基于单一的热致相分离方法制备出左旋聚乳酸纳米纤维大孔支架(图2)，即将一定量的左旋聚乳酸高温溶解在一定比例的1,4-二氧六环和水的溶剂体系中，再倒入离心管中，然后进行热致相分离和凝胶一段时间，随后使用乙醇水溶液进行冷冻萃取除去1,4-二氧六环和水，最后在室温下干燥除去乙醇，冻干后得到含有100μm以上的大孔纳米纤维左旋聚乳酸支架。CHEN等[18]使用了浊点热致相分离法在左旋聚乳酸/1,4-二氧六环/水三元体系中制备出超过300μm的大孔纳米纤维左旋聚乳酸支架，然后再用壳聚糖溶液将左旋聚乳酸支架进行表面改性得到左旋聚乳酸/壳聚糖支架。相比于常规的热致相分离，支架的孔径会稍微小一点，但在孔壁上会形成血小板样的微观结构。最后用大鼠颅盖骨缺损模型来评估了支架在体内的成骨性，结果显示含有3%壳聚糖的复合支架显著增强了骨骼的再生。WANG等[19]使用此方法来制备具有80μm大孔结构的纳米纤维支架-负载人骨形态发生蛋白2的聚乳酸-羟基乙酸共聚物微球/纳米纤维(BMP-2@MS/NF)复合支架，人骨形态发生蛋白2在复合支架的体外释放行为显示可持续释放超过5周。在这些载有人骨形态发生蛋白2复合支架上生长的小鼠原代成骨细胞具有更好的附着力和增殖能力。同样，碱性磷酸酶活性和茜素红S染色结果证明了这一点：载有人骨形态发生蛋白2复合支架显示成骨细胞的体外成骨分化增强。另外，来自大鼠颅盖缺损模型的体内成骨潜能评估组织学结果表明，这些负载人骨形态发生蛋白2的复合支架具有高骨诱导性。这些结果表明，载有人骨形态发生蛋白2的复合支架材料有可能被用作骨植入物，其成骨能力因人骨形态发生蛋白2的延长释放而得到增强。所以在使用单一的热致相分离法来制备纳米纤维大孔支架时，对热致相分离参数(如溶液浓度,溶剂体系,凝胶温度,凝胶时间等)、材料等要求比较高，并且产生的支架的孔隙也较小且不可控，连通性能也不好。粒子沥滤法被广泛地运用于孔结构骨组织工程支架中。粒子沥滤法是通过将骨组织工程材料和致孔剂粒子进行混合，再利用二者不同的溶解性和挥发性把致孔剂粒子除去，最后致孔剂粒子的原有空间就变成了孔隙。所得到聚合物支架的孔尺寸取决于致孔剂粒子的尺寸。将热致相分离结合粒子沥滤法可制备出一定尺寸大孔结构的纤维支架。HAN等[20]使用此种复合方法制备由纳米羟基磷灰石颗粒增强的仿生纳米纤维大孔左旋聚乳酸支架，使用了300-450μm的石蜡微球作为致孔剂来得到300-450μm大孔的纳米纤维支架。LIU等[21]也使用了相同的方法和不同直径的石蜡微球(150-250,250-420,420-600μm)制备出不同大孔结构的纳米纤维明胶支架。LIU等[22]也使用了相同的方法并且用糖作为致孔剂来制备出几百微米大孔的纳米纤维聚己内酯支架。SALERNO等[23]使用了200-400μm和400-600μm的明胶颗粒作为致孔剂来制备纳米纤维大孔支架。WEI等[24-25]和GUOTE等[26]均使用了糖球模板作为致孔剂来制备具有互连大孔和纳米纤维结构的左旋聚乳酸支架。CHEN等[27]使用了石蜡球来产生具有高度互连的球形大孔结构和纳米纤维结构支架。可以通过改变石蜡球的热处理时间来控制孔间连通性，并且可通过改变支架的孔隙率来控制力学性能。通过互连的大孔结构促进整个支架孔隙中的细胞接种，以及合成的胶原样基质，这些新型基质可能是骨组织工程的优秀支架。ZHANG等[28]首先将水溶性聚合物材料制成所需大孔结构的三维复制品，然后将聚合物溶液在模具中浇铸到致孔剂组件上，并进行热致相分离以形成纳米纤维基质，再用水浸出致孔剂材料，最终形成具有预先设计的大孔结构的合成纳米纤维细胞外基质。该技术有利于通过致孔剂粒子来控制大孔形状和尺寸，通过组装条件(热处理的时间和温度)控制孔间连通性，通过相分离和后处理参数控制孔壁形态，以及通过聚合物浓度和交联密度来控制力学性能。但是此方法很难将致孔剂除完，并且在除去致孔剂粒子后支架会在一定程度下产生萎缩，从而降低了支架的力学性能和孔与孔之间的连通性。
本文编号：3533996
【文章来源】：中国组织工程研究. 2020,24(28)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
文献检索流程图
除了以上方法之外，还有些研究者运用一些独特的方法来制备纳米纤维大孔支架，如激光切割、水凝胶涂层等。FULLER等[57]利用了静电纺丝和激光切割压缩技术来制备多层的纳米纤维大孔支架，其中通过激光切割引入30%圆形孔隙率，从而进一步降低了机械完整性。NIVEDHITHA等[58]将有大孔结构的凝胶涂在纤维支架上来制备微米纤维大孔支架，具有外覆盖物构建体上的蛋白质吸附显著降低，这可以延迟细胞与外层的黏附，并且构建体显示出良好的细胞附着和肌腱细胞的增殖。3 小结与展望Conclusion and prospects
热致相分离是一种制备类似于天然细胞外基质的聚合物纳米纤维材料的方法。热致相分离首先是将聚合物与高沸点、低分子质量的液态或固态稀释剂混合，在高温时形成均相溶液，再将混合物溶液制成所需要的形状，降低温度使溶液发生相分离，然后用某些溶剂进行萃取除去稀释剂，最后进行冷冻干燥得到孔结构。郑雄飞等[17]在不结合其他致孔剂方法的条件下，基于单一的热致相分离方法制备出左旋聚乳酸纳米纤维大孔支架(图2)，即将一定量的左旋聚乳酸高温溶解在一定比例的1,4-二氧六环和水的溶剂体系中，再倒入离心管中，然后进行热致相分离和凝胶一段时间，随后使用乙醇水溶液进行冷冻萃取除去1,4-二氧六环和水，最后在室温下干燥除去乙醇，冻干后得到含有100μm以上的大孔纳米纤维左旋聚乳酸支架。CHEN等[18]使用了浊点热致相分离法在左旋聚乳酸/1,4-二氧六环/水三元体系中制备出超过300μm的大孔纳米纤维左旋聚乳酸支架，然后再用壳聚糖溶液将左旋聚乳酸支架进行表面改性得到左旋聚乳酸/壳聚糖支架。相比于常规的热致相分离，支架的孔径会稍微小一点，但在孔壁上会形成血小板样的微观结构。最后用大鼠颅盖骨缺损模型来评估了支架在体内的成骨性，结果显示含有3%壳聚糖的复合支架显著增强了骨骼的再生。WANG等[19]使用此方法来制备具有80μm大孔结构的纳米纤维支架-负载人骨形态发生蛋白2的聚乳酸-羟基乙酸共聚物微球/纳米纤维(BMP-2@MS/NF)复合支架，人骨形态发生蛋白2在复合支架的体外释放行为显示可持续释放超过5周。在这些载有人骨形态发生蛋白2复合支架上生长的小鼠原代成骨细胞具有更好的附着力和增殖能力。同样，碱性磷酸酶活性和茜素红S染色结果证明了这一点：载有人骨形态发生蛋白2复合支架显示成骨细胞的体外成骨分化增强。另外，来自大鼠颅盖缺损模型的体内成骨潜能评估组织学结果表明，这些负载人骨形态发生蛋白2的复合支架具有高骨诱导性。这些结果表明，载有人骨形态发生蛋白2的复合支架材料有可能被用作骨植入物，其成骨能力因人骨形态发生蛋白2的延长释放而得到增强。所以在使用单一的热致相分离法来制备纳米纤维大孔支架时，对热致相分离参数(如溶液浓度,溶剂体系,凝胶温度,凝胶时间等)、材料等要求比较高，并且产生的支架的孔隙也较小且不可控，连通性能也不好。粒子沥滤法被广泛地运用于孔结构骨组织工程支架中。粒子沥滤法是通过将骨组织工程材料和致孔剂粒子进行混合，再利用二者不同的溶解性和挥发性把致孔剂粒子除去，最后致孔剂粒子的原有空间就变成了孔隙。所得到聚合物支架的孔尺寸取决于致孔剂粒子的尺寸。将热致相分离结合粒子沥滤法可制备出一定尺寸大孔结构的纤维支架。HAN等[20]使用此种复合方法制备由纳米羟基磷灰石颗粒增强的仿生纳米纤维大孔左旋聚乳酸支架，使用了300-450μm的石蜡微球作为致孔剂来得到300-450μm大孔的纳米纤维支架。LIU等[21]也使用了相同的方法和不同直径的石蜡微球(150-250,250-420,420-600μm)制备出不同大孔结构的纳米纤维明胶支架。LIU等[22]也使用了相同的方法并且用糖作为致孔剂来制备出几百微米大孔的纳米纤维聚己内酯支架。SALERNO等[23]使用了200-400μm和400-600μm的明胶颗粒作为致孔剂来制备纳米纤维大孔支架。WEI等[24-25]和GUOTE等[26]均使用了糖球模板作为致孔剂来制备具有互连大孔和纳米纤维结构的左旋聚乳酸支架。CHEN等[27]使用了石蜡球来产生具有高度互连的球形大孔结构和纳米纤维结构支架。可以通过改变石蜡球的热处理时间来控制孔间连通性，并且可通过改变支架的孔隙率来控制力学性能。通过互连的大孔结构促进整个支架孔隙中的细胞接种，以及合成的胶原样基质，这些新型基质可能是骨组织工程的优秀支架。ZHANG等[28]首先将水溶性聚合物材料制成所需大孔结构的三维复制品，然后将聚合物溶液在模具中浇铸到致孔剂组件上，并进行热致相分离以形成纳米纤维基质，再用水浸出致孔剂材料，最终形成具有预先设计的大孔结构的合成纳米纤维细胞外基质。该技术有利于通过致孔剂粒子来控制大孔形状和尺寸，通过组装条件(热处理的时间和温度)控制孔间连通性，通过相分离和后处理参数控制孔壁形态，以及通过聚合物浓度和交联密度来控制力学性能。但是此方法很难将致孔剂除完，并且在除去致孔剂粒子后支架会在一定程度下产生萎缩，从而降低了支架的力学性能和孔与孔之间的连通性。
本文编号：3533996
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